Luận văn Nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền động điện một chiều sử dụng trong hệ tuỳ động

ômen động cơ rất lớn để thắng lại mômen cản của tải trọng tốc độ nâng chậm. - M5 : Mômen động cơ của cơ cấu quay cần khi đã có tải, mômen của động cơ lúc này lớn hơn nhiều khi chưa có tải. - M6 : Mômen động cơ của cơ cấu chạy xe con khi đã có tải Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 47 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - M7 : Mômen động cơ của cơ cấu nâng hạ khi hạ tải, lúc này mômen quay của động cơ vẫn có chiều trùng với chiều quay của mômen động cơ khi nâng tải, nhưng tải trọng vẫn được hạ xuống với tốc độ thấp và mômen của động cơ lúc này đóng vai trò là mômen hãm. - M8 : Mômen của động cơ khi nâng móc cẩu thực hiện xong một chu trình làm việc. Mômen của các động cơ của cơ cấu chuyển động có các thông số tương tự nhau ở trong các chu kỳ làm việc tiếp theo. III.5.5. Sơ đồ động của cơ cấu nâng hạ cho cần cẩu tháp Việc thiết kế cơ cấu truyền động của cần cẩu tháp cần phải dựa vào các thông số yêu cầu cho trước như phụ tải tĩnh, mômen quay của tang trống, vận tốc góc, vận tốc chuyển động tịnh tiến… từ đó mới có thể chọn được động cơ và các trang thiết bị điện có công suất phù hợp với phụ tải yêu cầu. Hình 3.7. Sơ đồ động của cơ cấu nâng hạ cần cẩu tháp Trong đó : (I) : Động cơ điện (II) : Hộp số. (III) : Tang trống (IV) : Tải trọng Với các thông số bất kỳ ta có thể quy đổi về mômen cản MC → PC → chọn công suất động cơ PĐ. a.Trường hợp khi cho trước phụ tải tĩnh G, lức cản FC chuyển động tịnh tiến với vận tốc v (I) J§, ω§, M§ i, η (II) JT, ωT, MT (III) v (IV) G = FC Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 48 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ những thông số ở trên ta có thể quy đổi về trục động cơ. Nguyên tắc quy đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau khi quy đổi không thay đổi. Ta có : η vFC . = MC.ωĐ Với η : Hiệu suất của động cơ truyền lực từ động cơ đến tang trống. → MC = FC. Đ v ωη .1 Đặt ρ = Đ v ω (m) là bán kính quy đổi của chuyển động tịnh tiến về trục động cơ. ⇒Mômen cản do tải trọng sinh ra quy đổi về trục động cơ là: MC = FC. ρη .1 [Nm]. b.Trường hợp khi biết tang trống quay có mômen MT, vận tốc góc ωT, hộp tốc độ có hiệu suất η, tỉ số truyền i, động cơ có tốc độ ωĐ Ta có : Đ T rCĐC TT MMMM ω ω η ω η ω .1... =→= Đặt i = Đ T ω ω : Tỉ số truyền từ trục động cơ tới tang trống. ⇒ Mômen cản tĩnh của tay quay quy về trục động cơ là: MC = Mr. i 1.1 η Kết luận: Từ những thông số cho trước ta quy đổi về mômen trên trục động cơ MC từ đó ta chọn mômen động cơ MĐ > MC quy đổi [MĐ = (1,2 ÷ 1,5)MC] ⇒ ta có thể chọn được công suất động cơ PĐ phù hợp với yêu cầu công nghệ ứng với những tải có các thông số bất kỳ. III.5.6. Các yêu cầu trang bị điện cho truyền động nâng hạ của cần cẩu tháp 1.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tự động phải đơn giản. 2.Các phần tử khống chế phải có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, có thể bảo dưỡng và thay thế dễ dàng. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 49 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.Hệ thống truyền động phải có đặc tính phù hợp với yêu cầu công nghệ: - Các quá trình khởi động, hãm, tăng tốc phải êm (a < 0) để tránh rung dật, đảm bảo an toàn cho tải trọng. - Mômen mở máy phải lớn. - Phải đảm bảo an toàn trong giới hạn di chuyển, có các công tắc hạn chế hành trình cho cơ cấu quay của cần, cơ cấu tiến, lùi của xe con, hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ. 4.Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp điểm “ không ”, bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch. 5. Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập. 6. Phải đảm bảo an toàn khi xảy ra mất điện, bố trí các phanh hãm điện từ. CHƯƠNG 4 TæNG HîP Vµ M¤ PHáNG HÖ THèNG Hệ thống truyền động cần cẩu tháp sử dụng động cơ một chiều như đã giới thiệu là hệ thống tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vòng phản hồi đó là phản hồi dòng điện, phản hồi tốc độ, phản hồi vị trí. Kết quả của vấn đề thiết kế hệ thống là độ ổn định và đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh, số lần dao động. Hình 4.1. Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ Rω RI GVF GVR -1 -Un -Ui U*i Uci TM VF VR D FT TA Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 Rϕ SV -ϕn ϕ*n Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 50 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và thông số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy khi thiết ta phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Một số tiêu chuẩn thiết kế hay được sử dụng là tiêu chuẩn môdul tối ưu, tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Tuỳ theo các yếu tố cụ thể của hệ điều khiển vị trí tương đối thường đòi hỏi các chỉ tiêu chất lượng cao như thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao,độ bền vững tốt ... với mô men và tốc độ nằm trong giá trị cho phép. * Tiêu chuẩn modul tối ưu - Đối với một hệ kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì mô đun của đặc tính tần số- biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với tần số thấp, hàm truyền phải đạt được điều kiện | F(jω)| ≈ 1. - Hàm chuẩn theo mô đul tối ưu có dạng: 22 σσ P2τP2τ1 1F(P) ++ = - Tiêu chuẩn mô đun tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và trung bình. *Tiêu chuẩn mô đun tối ưu đối xứng - Tiêu chuẩn này thường đựơc áp dụng để tổng hợp các bộ điều khiển trong mạch vòng có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều khiển theo quan điểm nhiễu loạn. - Hàm chuẩn tối của đối xứng: 33 σ 22 σσ σ DX P8τP8τP4τ1 P4τ1(P)F +++ + = IV.1. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển IV.1.1.Hàm truyền của động cơ điện Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng phổ biến trong các hệ truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như hình 4-2. Lư E ω M MC U Rư RK Id Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 51 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-2. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều Hệ thống mô tả động cơ Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trí của Rotor ϕ. Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động. Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 4-1. như sau: Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ Ik và từ thông Φ phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: Uk(p) = RkIk(p) + Nk.P. Φ(p) (4-1) Trong đó: Nk – số vòng dây cuộn kích từ. Mạch phần ứng: U(p) = Rư.I(p) + LưpI(p) + E(p) (4-2) Hay [ ]E(p)U(p) pT1 1/RI u u p −+ = Trong đó: Lư - điện cảm mạch phần ứng. Tư = Lư/Rư – Hằng số thời gian mạch phần ứng. Phương trình truyền động của hệ: M(p) – MC(p) = jpω (4-3) Trong đó j là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 52 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều: Hình 4-3. Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều Φ ik ω MC jp 1 M k Φ 1 pNK RK NK Rư 1 1 + pTư UK U - - - kΦ I Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 53 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Trước hết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đoạn đặc tính mômen tải như hình 4-4. Độ sốc của đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải khi bỏ qua hiện tượng từ trễ tương ứng là: Bcb c k0ok ω,M Δω ΔM B I,Φ kΔI ΔΦk = = Hình 4-4. Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ quay ωB, điện áp kích từ Uk0, từ thông Φ0, dòng điện kích từ I k0 và mômen tải MCB. Biến thiên nhỏ các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p), ∆ω(p), ∆Uk(p), ∆Ik(p), ∆Φ(p) và ∆Mc(p). Phương trình mô tả động cơ có thể viết dưới dạng sau: IK0 IK KK Φ Φ0 0 MC ωC ωCB MCB 0 B Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 54 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mạch phần ứng: U0+∆U(p) = Rư[I0 +∆I(p)] + pLư[I0 +∆I(p) +K[Φ0 +∆Φ(p)].[ωB +∆ω(p) (4-4) Mạch kích từ: Uk0 + ∆Uk(p) = Rk[Ik0 + ∆Ik(p)] + pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] (4-5) Phương trình truyền động cơ học: K[Φ0 + ∆Φ(p)].[I0 + ∆I(p)] – [MB - ∆Mc(p)] = Jp.[ωB + ∆ω(p)] (4-6) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: ∆U(p) – [K. ωB. ∆Φ(p) + K. Φ0. ∆ω(p)] = Rư∆I(p).(1+ pTư) (4-7) ∆Uk(p) = Rk. ∆Ik(p).(1+ pTk) (4-8) K.I0. ∆Φ(p) + K.Φ0. ∆I(p)] - ∆Mc(p) = Jp.∆ω(p) ( 4-9) Từ phương trình (4-7), (4-8), (4-9) ta có sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập như hình 4-5. Hình 4-5. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá Khi giữ nguyên từ thông kích từ không đổi: KΦ = const U(p) = RưI(p).(1+PTư) + KΦω(p) (4-10) ∆ω jp 1 ∆M ∆Φ 1/Rư 1 + pTư ∆UK ∆U - KΦ0 ∆MC KΦ0 KωB KI0 KK 1/Rk 1 + pTk - ∆Ik ∆I B Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 55 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KΦ.I(p) – MC(p) = Jpω(p) (4-11) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 4-6 Hình 4-6. Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn: ω jp 1 1/Rư 1 + pTư U - KΦ MC KΦ - I M E ω U - 1pTpTT K c 2 c­ d ++ 1pTpTT P)T(1.KR c 2 c­ ­d­ ++ + MC a) I U - MC 1pTpTT P/RT c 2 c­ ­c ++ 1pTpTT K c 2 c­ d ++ Ic Iđg b) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 56 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ud Ud0 Ud01 Ud02 Uct Uct1 Uct2 t1 t2 t3 t4 α1 α2 Hình 4-8. Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu Hình 4-7. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện. Trong đó: Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/KΦ. Hằng số thời gian cơ học: Tc = Rư.J/(KΦ)2. (4-12) 1pTpTT KΦ (p)M R U(p)p.T I(p) c 2 c- c - c ++ + = (4-13) Các hàm truyền của động cơ có dạng: 1pTpTT K U(p) ω(p) c 2 c- d ++ = (4-14) 1pTpTT PT. R 1 U(p) I(p) c 2 c- c - ++ = (4-15) 1pTpTT P)T(1.KR (p)M ω(p) c 2 c- -d- c ++ + = (4-16) 1pTpTT K (p)M I(p) c 2 c- d c ++ = (4-17) IV.1.2.Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor Bộ phận chỉnh lưu bán dẫn thyristo cần điều khiển không bao giờ tách khỏi mạch điện phát xung, vì vậy khi phân tích hệ thống thường xem chúng như một kh âu, Lượng đầu vào của khâu này là điện áp điều khiển Uct của mạch phát xung, lượng đầu ra là điện áp chỉnh lưu không tải lý tưởng Ud0. Nếu coi hệ số khuyếch Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 57 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đại Ks giữa chúng bằng hằng số, thì bộ phát xung và chỉnh lưu bán dẫn được coi là khâu khuyếch đại thuần tuý chậm sau (trễ), mà tác dụng chậm sau là do thời gian mất điều khiển của bộ bán dẫn gây ra. Thời gian mất điều khiển Ts có độ lớn thay đổi theo thời điểm phát sinh sự biến động của điện áp điều khiển Uci. Thời gian mất điều khiển lớn nhất có thể xẩy ra là thời gian giữa hai lần thay đổi pha tự nhiên nó liên quan tới tần số nguồn điện xoay chiều, hình thức mạch chỉnh lưu và được xác định theo biểu thức: mf 1Tsmax = (4-18) Trong đó: f – tần số dòng điện xoay chiều. m – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ. Tương ứng với thời gian thích nghi của hệ thống mà nói, Ts có giá trị không lớn nên thực tế có thể lấy giá trị thời gian mất điều khiển trung bình Ts = Tsmax/2, và thường coi là hằng số. Dùng hàm bậc thang đơn vị để biểu thị sự chậm sau thì quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của thiết chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor sẽ là: Ud0 = Ks.Uct.1(t – Ts) (4-19) Theo định lý chuyến dời phép biến đổi Laplace, thì hàm truyền là: psT s ct d0 eK (P)U (p)U −= (4-20) Trong biểu thức ( 4-20) có chứa hàm số mũ pTse− , nó làm cho hệ thống không phải là hệ thống pha cực tiểu, việc phân tích và thiết kế kha phức tạp. Để đơn giản hoá, trước tiên ta phải khai triển pTse− thành cấp số Taylo, và biểu thức (4-20) trở thành: ...pT3! 1pT2! 1pT1 K psTe K eK (P)U (p)U 33 s 22 ss sss s ct d0 pT ++++ === − (4-21) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 58 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Vì Ts có giá trị rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua các giá trị bậc cao của nó. Hàm số truyền của bộ chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor có thể coi một cách gần đúng là khâu quán tính bậc nhất. pT1 K (P)U (p)U s s ct d0 + = (4-22) Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor: Hình 4-9. Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor a) khi chuẩn xác; b) khi gần đúng IV.1.3.Hàm truyền của máy phát tốc Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ. Để làm được điều đó thông thường người ta dùng máy phát tốc, nó được nối cứng trục với động cơ. Hàm truyền của máy phát tốc: pT1 K (p)w ω ω FT + = (4-23) Trong đó: Tω - hằng số thời gian của máy phát tốc. Kω - hệ số phản hồi máy phát tốc. IV.1.4.Hàm truyền của thiết bị đo điện Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng điện. Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể có thể dùng máy biến dòng. Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện: Kse TsP Uct(p) Ud0(p) pT1 K s s + Uct(p) Ud0(p) a) b) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 59 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên pT1 K(p)w I I FT + = (4-24) Trong đó: τβI - hằng số thời gian của máy máy biến dòng. KI - hệ số phản hồi dòng điện. IV.1.5.Tổng hợp hệ điều khiển RI, Rω, Rϕ Việc tổng hợp các bộ điều khiển RI, Rω đều được tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn mô dun tối ưu hoặc tiêu chuẩn mô dun đối xứng. Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vòng kín là: bắt đầu từ vòng trong, từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài. Có nghĩa, trước tiên ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâu trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong hệ thống điều chỉnh vị trí để thiết kế bộ điều chỉnh vị trí. a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI Trong các hệ thống truyền động đ iện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản chức năng cơ bản của các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc... Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau : Hình 4-10. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó: ω Uiđ (-) iR ( )( )p.T1p.T1 K vdk CL ++ KΦ u u T.p1 R 1 + Jp 1 i i pT1 K + KΦ Mc (-) Ui(p) I Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 60 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên R LTu = : Hằng số thời gian điện từ của động cơ R = RB + RK +Rưd + Rs L = Lb + Lk + Lưd Ti =R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau : Hình 4-11. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Từ sơ đồ hình (2.10) và (2.11) ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện: ( ) ( )( )( )( )uivdk icl dk 0i p.T1p.T1pT1p.T1 1. R .KK pU I(p)(p)S ++++ == (4-25) Trong đó: Tsi = Ti + Tv +Tđk<< Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có: ( )( )usi icl oi p.T1p.T1 R .KK (p)S ++ = (4-26) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín: 2 σσ OMi .p2τ2τ1 1(p)F ++ = (3-27) Mặt khác, theo hình 4-11. ta có : ( ) ( )pτ1p.2τ )p.T)(1p.T(1 R .KK 1(p)R (p)(p).SF(p)S (p)F(p)R (p)(p).SR1 (p).SpR(p)F σσ usi iCL i oiOMioi OMi i ioi oii OMi + ++ = − =⇒ + = Chọn τσ = min (Tsi, Tư) = Tsi I(p) Ri(p) S0i(p) UIđ (-) UI(p) Udk(p) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 61 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện :       += + = usiiCL u si iCL u i T.p 11 T.K.K2. T.R R T.K.K.p2 T.p1(p)R (4-28) Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: p2T1 1 .p2.T.p2.T1 1 (p)U (p)U(p)F si2 2 sisiid i OMi + ≈ ++ == (4-29) b. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rω Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau : Hình 4-12. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ Trong đó: )T.p(1 KΦ. p.T.Φ.K R. K 1. p).T2(1 1(p)S ωcisi ωo ++ = Đặt Tsω = 2.Tsi + Tω sωT⇒ rất nhỏ. Ta có: )p.T.p(1.K.ΦK.K R.K(p)S sωci ω oω + = Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul: 22 σσ OMω p2τ.p2.τ1 1(p)F ++ = (4-30) (p)S(p).F(p)S (p)F(p)R oωOMωoω OMω ω − = (4-31) ( ) )τ.p(1.2τp.T1.p.KΦKΦK R.K 1(p)R σσ sωci ω ω + + = Rω(p) S0ω(p) Uωd ω(p) (-) Uω(p) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 62 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chọn τσ = Tsω Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul: sωω ci ω T.2.K.R T.KΦ.K(p)R = (4-32) R ω(p) là khâu tỷ lệ (P) Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC là nhiễu nữa. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: 33 σ 2 . 2 σσ σ OMω .p8τp8.τ.p4.τ1 .p4.τ1(p)F +++ + = (4-33) oωωOMoω OMω ω .SFS F(p)R − = .p)τ(12p.8τ )p.T.p(1.T.KK ωR.K .p4τ1(p)R σ 2 σ sωcφi σ ω + + + = Chọn τσ = Tsω Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: p.T.8 T.KΦ.K K.R p.T41(p)R 2 sω ci ω sω ω + = (4-34) Rω(p) là khâu tích phân- tỷ lệ (PI) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: ωsωω 22 sωsωd K 1. .p2T1 1 K 1. p2T.p2T1 1 (p)ω ω(p) + ≈ ++ = (4-35) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có: ωsωω 33 sω 22 sωsωd K 1. .p4T1 1 K 1. .p8T.p8T.p4T1 1 (p)ω ω(p) + ≈ +++ = c. Tổng hợp mạch vòng vị trí  Sơ đồ cấu trúc của trúc hệ thống điều chỉnh vị trí Rϕ(p) Td(p) (-) ωsωd ωsωd K 1. pT41 1 (p)ω ω(p) K 1. p.T21 1 (p)ω ω(p) + = + = P Kr ϕ(p) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 63 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-13. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí Tổng hợp mạch vòng lực căng cũng tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng tiêu chuẩn tối ưu modul và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí như hình 4-13. Trong đó: i 1K r = : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực (4-36) Tsω =Tω +2.Tsi =Tω +2(Tđk + Tv + Ti) (4-37) Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul 22 σσ OMT p2τ.p2.τ1 1(p)F ++ = (4-38) Từ sơ đồ cấu trúc hình 3.13. ta có: )Tp(1p).T2.(1 K K.K (p)S sω ω r T0 ϕ ϕ ++ = (4-39) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có : (p)S(p).F(p)S (P)F(P)R T0MT0T0 MT0 − =ϕ ( ) )pTp)(1T2(1 Kω K.K . pτ2pτ21 1 )pTp(1p).T2(1 Kω K.K p2τ21 1 pR sω r 22 sω r 22 δ τ ϕδδϕ ϕ δ ϕ ϕ ++++ − ++ ++ = Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 64 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên p)T(1 p).τ(1.pτ.2 )pT2p(1.K KK 1(p)R sωω r ϕ δ δ ϕ ϕ + + + = Chọn: τδ = Tϕ Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu modul : p).T2(1 T.2.K.K K(p)R sω r ω += ϕϕ ϕ (4-40) Với: Rϕ = Kp + KD.p (4-41) ϕϕ T.2K.K KK r ω p = (4-42) ϕϕ T.K.K T.KK r sωω D = (4-43) RT(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng p.τ8p.τ8.p.τ4.1 p.τ4.1(p)F 3 σ 2 σσ σ OMT +++ + = (4-44) Khi tổng hợp mạch vòng vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì ta có hàm truyền đối tượng : )Tp(1p).T.4(1 K K.K (p)S sω ω r T0 ϕ ϕ ++ = (4-45) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có : (p)S(p).F(p)S (P)F(P)R T0MT0T0 MT0 − =ϕ = p)T(1 p).τ(1.pτ.2 )pT2p(1.K KK 1 sωω r ϕ δ δ ϕ + + + Chọn: τδ = Tϕ Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 65 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên p).T4(1 T.2.K.K K(p)R sω r ω += ϕϕ ϕ (4-46) RT(p) cũng là khâu tỷ lệ- đạo hàm (PD) Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều như hình vẽ 4-14. Hình 4-14. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí  Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nằm trong giới hạn cho phép. Ta xét quá trình bắt đầu hãm,lúc đó tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau nghĩa là: (ϕ1 - ϕ1).Rϕ ≈ ωh (4-47) ∆ϕh = ϕ1 - ϕ1 : Quãng đường hãm ωh: Vận tốc thời điểm bắt đầu quá trình hãm quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức: ∆ϕhmax hMax r 2 Max ε .Kω. 2 1= (4-48) Trong đó: hMaxε : Gia tốc hãm cực đại cho trước. Từ 4-47 và 4-48 ta có: hhMax ω.Rε ≈ϕ P2T1 1 si+ PT1 K ω ω + PTC R cu JP 1 iK 1 Rω Rϕ JP 1 PT1 K ϕ ϕ + ϕd(p) ϕ(p) ω(p) ωd (-) (-) (-) Ui(p) I MC ω ϕ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 66 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hMax r 2 Max h ε .K.Kω . 2 1 ω ϕ=⇒ Chọn Rϕ = Kϕ r1 hMax .Kω 2.εK =⇒ ϕ (4-49) Quãng đường đi được lúc hãm là : ∆ϕ = 2∆ϕhmax = ε .Kω r 2 h (4-50) Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí Rϕ, ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại Kϕ= const . Quan hệ tĩnh ω = f(∆ϕ) Trong quá trình hãm (công thức 4-48) được vẽ trên hình (4-15) ta thấy: Khi cho quãng đường là ∆ϕ1 thì tốc độ là ω1 tương ứng với hệ số khuếch đại là Kϕ1 khi cho quãng đường là ∆ϕ2 mà vẫn giữ nguyên hệ số Kϕ1 thì tốc độ là ω2 nhưng thực chất theo quan hệ phi tuyến thì tốc độ là ω2’.Nghĩa là cần hệ số khuếch đại Kϕ2.Tương tự khi cho quãng đường là ∆ϕ3 thì cầu phải có Kϕ3. Như vậy khi ∆ϕ càng nhỏ thì hệ số khuếch đại Rϕ càng lớn để đạt được tốc độ lớn tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. ω ω1 ω3 ω2 ω2' 0 ∆ϕ1∆ϕ2∆ϕ3 ∆ϕ Κϕ3 Κϕ2 Κϕ1 ∆ω Hình 4-15. Quan hệ giữa ϕ∆ vàω Qua phân tích ta thấy quan hệ ω = f(∆ϕ) là phi tuyến và việc chọn Rϕ chỉ chứa hệ số khuếch đại Kϕ= const là không hợp lý. Để giải quyết vấn đề này nghĩa là phải Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 67 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thực hiện bộ điều khiển phi tuyến. Trong bản luận văn này tôi đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển PID. Qua phân tích trên đã cho ta thấy một cách nhìn tổng quan về hệ điều khiển vị trí sử dụng phổ biến và rộng rãi của hệ điều khiển vị trí trong công nghiệp. Các khâu trong hệ điều khiển vị trí đều được phân tích và mô hình hoá,tuyến tính hoá khi cần thiết, phục vụ cho quá trình mô phỏng hệ thống. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển đó đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu môdul và tối ưu đối xứng nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Tuy vậy ta đã chứng minh được đặc tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến nên để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống thì thực hiện một bộ điều khiển vị trí phi tuyến là cần thiết và vô cùng cấp bách. Đặc biệt khi cần thiết kế các hệ điều khiển vị trí đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn,độ chính xác cao… IV.2. Mô phỏng hệ thống truyền động cần cẩu tháp với các bộ điều khiển PID IV.2.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ một chiều kích từ độc lập * Các thông số cho trước: Pđm : Công suất định mức của động cơ 4,5 kW Uđm : Điện áp định mức của động cơ 110 V nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1500 v/p Iđm : Dòng điện định mức của động cơ 51A Lư : Điện cảm phần ứng 0,0082Ω Rư : Điện trở phần ứng 0,162Ω Ti : Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s TCL : Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,0033s Tđk : Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015s Tω : Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 68 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tϕ : Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s ηđm : Hiệu suất định mức của động cơ 80% * Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí: Tốc độ góc định mức: rad/s157,1 60 .1500π2. 60 n.π2. ω dmdm === Mômen định mức: Mđm = KΦđm.Iđm = 0,64768.51 = 33,03Nm Trong đó 0,64768 157,1 51.0.162110 ω .RIUK dm udmdm dm = −= − =Φ Hằng số thời gian phần ứng: 0,0506s 0,162 0,0082 R L uT u u === Hàm truyền động cơ: 0,0506.p1 6,1728 .pT1 1/R(p)W u u D + = + = Hàm truyền của bộ biến đổi: 0,0033.p1 11 .pT1 KW cl cl BBD + = + = Trong đó: 11 10 110 U UK dk dm cl === Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul:       += usiicl uu i pT 11 .T.K2.K TR(p)R Trong đó: s5,95.100,15ms3,3ms2,5msTTTT 3dkvisi −=++=++= Ki: Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện 0,196 51 10 I UK dm dk i === Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 69 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ⇒       += − 0,0506.p 11 .5,95.102.11.0,196 060,162.0,05(p)R 3i       += 0,0506.p 110,3195.(p)Ri Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul: sωωu ci ω .2.T.KR .T.K(p)R Φ= K Ta có: Uωđ = ω.Kω Chọn: Uωđ = 5 V Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ: 0,0318 157 5Kω == Ta có: ms1,5Tω = 13,4ms2.5,951,52.TTT siωsω =+=+= 0,694s 0,64768 21,798.0,16 kφ J.RT 22 u c === 638,11 418.2.0,0130,162.0,03 768.0,6940,196.0,64 .2.T.KR .TKK (p)R sωωu c . i ω == Φ = Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí Rϕ theo tiêu chuẩn tối ưu modul: p)2.T(1 .2.T.KK K(p)R sω TTr ω +=ϕ m1,0r m03l = = n.r.π2r.Tl == Ta có: ⇒ 50 1.0,π2 30 r.π2 ln === ⇒ π(rad)100n.π2 r lT === TdUT.K =ϕ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 70 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí: 0,032 100.π 10K ==⇒ ϕ Kr: Hệ số khuyếch đại của bộ truyền lực t.ω.Kdt.ω.KT 1 0 rr∫ == 1 157,1.2 100.π ωt TK r ===⇒ 0,0268.p)(1 ,3.0,032.2.01 0,0318p)2.T(1 .2.T.KK K(p)R sω r ω +=+= ϕϕ ϕ Rϕ(p) = 1,656.(1+0,0268) IV.2.2.Xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng MATLAB SIMULINK Thay các thông số đã tính đựơc vào sơ đồ trên hình ( 4-14) và dùng simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình vẽ (4-16). Hình 4-16. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID * Kết quả mô phỏng Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 71 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cho chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị vị trí đặt ta có kết quả như các đồ thị được vẽ ở các Hình (4-17); (4-18); (4-19); (4-20). Hình 4-17. Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10V, I = 51 A a) Vị trí b) Tốc độ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 72 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c) Dòng điện Hình 4-18. Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 15V, I = 51 A a) Vị trí b) Tốc độ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 73 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c) Dòng điện Hình 4-19. Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào ϕđặt = 10V a) Vị trí b) Tốc độ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 74 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c) Dòng điện * Nhận xét: Trên đây là kết quả mô phỏng với các vị trí khác nhau và cho kết q uả của hệ thống tương đối tốt. Song do tính chất phi tuyến của hệ thống trong mạch vòng vị trí, cho nên để nâng cao chất lượng hơn nữa ta sẽ nghiên cứu và ứng dụng bộ điểu khiển mờ vào mạch vòng vị trí để nâng cao chất lượng tốt hơn cho hệ thống. IV.3. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ Như đã biết do quan hệ ω = f( ∆ϕ ) là phi tuyến và để thực hiện bộ điều khiển phi tuyến,trong bản luận văn này tôi đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ. Vị trí đặt + - SS1 PID SS2 Vị trí Fuzzy Logic Controller Phản hồi vị trí + + w 0,032 jđ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 75 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-20 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí Do quan hệ xác lập của )( ϕω ∆= f là phi tuyến. Để đạt được quan hệ phi tuyến này ta tách bộ điều khiển Rϕ thành hai khâu điều khiển làm việc song song. Một khâu PD với hệ số khuyếch đại là hằng số và một khâu là phi tuyến như Hình (4-21). Việc tổng hợp khâu PD được tíên hành theo phương pháp truyền thống như Chương IV, ở đây ta xét phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ. Để thấy rõ hơn tác dụng của bộ điều khiển mờ trong mạch vòng điều khiển vị trí ta trở lại xét mộ hệ T-Đ có tham số như trên (Hệ đã mô phỏng ở chương IV). IV.3.1.Mờ hoá Bộ điều khiển mờ ta sẽ thiết kế bao gồm một biến trạng thái mờ đầu vào và một biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con). Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều khiển mờ. Ta chọn 5 tập giá trị ngôn ngữ cho biến đầu vào: góc âm lớn (mf1), góc âm (mf2), góc Zezo (mf3), góc dương (mf4), góc dương lớn (mf5). Sự phân bố của các hàm liên thuộc đưa ra trên Hình 4-22. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 76 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-21. Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt Bộ điều khiển mờ đầu ra là tín hiệu mờ ‘Hệ số khuếch đại’. Ta chọn 5 giá trị mờ cho biến đầu ra: âm lớn (mf1), âm (mf2), Zezo (mf3), dương (mf4), dương lớn (mf5). Sự phân bố của các giá trị mờ được chọn như trên Hình vẽ 4-22. Hình 4-22. Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại Bảng 4.2. Các luật điều khiển mờ STT Vị trí đặt Hệ số khuếch đại 1 mf1 mf1 2 mf2 mf2 3 mf3 mf3 4 mf4 mf4 5 mf5 mf5 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 77 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-23.Các luật điều khiển mờ IV.3.2.Luật điều khiển và hợp thành Mỗi luật điều khiển là một hàm của các giá trị ngôn ngữ, được miêu tả thông qua một biến trạng thái đầu vào “Vị trí đặt” và một biến điều khiển mờ đầu ra “hệ số khuếch đại ”. Luật điều khiển thứ i là Ri được viết như sau: Ri: Nếu vị trí đặt Ai thì hệ số khuếch đại là Bi. Trong đó Ai và Bi là các giá trị mờ của các biến mờ “Vị trí đặt” và “Hệ số khuếch đại”. Các luật điều khiển thiết kế như trên bảng 3.2. Luật hợp thành được xây dựng trên cơ sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN. Hình 4-24. Sơ đồ khối của khối luật bù mờ IV.3.3.Giải mờ Giải mờ có thể được thực hiện theo các phương pháp điểm trọng tâm, phương pháp trung bình hay phương pháp cực đại. Do miền xác định của các giá trị mờ đầu ra là miền liên thông nên ta sẽ giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Giá trị rõ x được xác định theo phương pháp điểm trọng tâm như ở công thức: Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 78 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dx(x)μ dx(x)x.μ x S B S B 0 ∫ ∫ = (4-3) Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B. IV.4. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí khi có bộ điều khiển mờ Bổ xung thêm bộ điều khiển mờ đã thiết kế trên vào sơ đồ hình 3.22 ta được hệ điều chỉnh vị trí có đặc tính điều chỉnh phi tuyến nhờ có bộ điều khiển mờ như hình 4.25 Hình 4-25. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ điều khiển mờ, ở đây ta tiến hành theo hai bước: Mô phỏng bộ điều khiển mờ: Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên công cụ Fuzzy của phần mềm Matlab. Các hàm liên thuộc của các giá trị mờ trong các biến vào và ra được chọn như trên hình: 4-22 và 4-23. Các luật điều khiển như bảng 4-2. Hình 4-27 là quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 79 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 4-26. Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ Mô phỏng toàn hệ: trên hình 4-26 là sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có sử dụng bộ điều khiển mờ. Tiến hành chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị vị trí đặt khác nhau, hệ thống khảo sát với dòng điện tải I = 51A (tải định mức). Cho chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị của vị trí đặt ta có kết quả trên các hình : (4-27), (4-28), (4-29), (4-30). Hình 4-28. Kết quả mô phỏng với ϕđặt = 10V, I = 51A Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ a) Vị trí Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 80 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên a) Tốc độ b) Dòng điện Hình 4-29. Kết quả mô phỏng với ϕđặt = 15V, I = 51A a) Vị trí b) Tốc độ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 81 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c) Dòng điện Hình 4-30. Kết quả mô phỏng với ϕđặt = 10V Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ a) Vị trí Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 82 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b) Tốc độ c) Dòng điện Hình 4-31. Kết quả mô phỏng với ϕđặt = 15V a) Vị trí b) Tốc độ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 83 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c) Dòng điện NHẬN XÉT : * Khi không tải: + Thời gian quá độ trong quá trình khởi động và quá trình hãm: - Khi khởi động và hãm đặt với vị trí đặt: ϕđ = 15V, ϕđ = 10V thời gian quá độ khi khởi động hệ thống có sử dụng bộ điều khiển mờ giảm được từ (1 ÷ 3)s tức là chiếm từ (7 ÷ 20)% so với khi không có bộ điều khiển mờ. + Tốc độ trong quá trình khởi động nhanh chóng đạt trạng thái ổn định và ít dao động. Gia tốc của hệ thống khi có bộ điều khiển mờ ít biến thiên và giữ ổn định. * Khi có tải: Itải = 51A. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 84 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Với ϕđ = 15V, ϕđ = 10V thì thời gian quá độ của hệ thống thay đổi rất ít nhưng lượng quá điều chỉnh của hệ thì rất nhỏ, tốc độ và dòng điện ổn định hơn. Như vậy hệ thống làm việc ở chế độ không tải hoặc có tải đảm bảo được chất lượng tĩnh và động tốt hơn khi dùng hệ PID kinh điển. * Độ chính xác: Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thi luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác cao, ngay cả với giá trị đặt rất nhỏ. Khi vị trí đặt lớn hơn định mức ngoài việc giảm thời gian quá độ, bộ điều khiển mờ còn giảm độ quá điều chỉnh đặc biệt trong quá trình hãm. Hệ thống mô phỏng đã được xét phụ tải định mức, điều đó càng chứng tỏ tính bền vững cao của hệ điều khiển. Thuật toán và chương trình đã được chuẩn hoá nên việc thức hiện khâu bộ điều khiển mờ tương đối đơn giản. Số lượng giá trị mờ và số luật mờ có thể chọn tuỳ ý nên ta có thể thực hiện bộ điều khiển mờ theo một đặc tuyến phi tuyến mong muốn bất kỳ. KẾT LUẬN 1.Kết luận - Trong bản luận văn đã nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện một chiều cho một số kết quả như sau: + Khảo sát tổng quan về hệ thống tuỳ động vị trí, quá trình tính toán đề cập đến các thông số: Điện cơ, điện từ, mômen quán tính, mômen cản. Từ đó mô phỏng cho kết quả: Tốc độ, vị trí, dòng điện. Với kết quả này giúp cho việc đánh giá, khảo sát và nâng cao chất lượng. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 85 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + Các hệ truyền động điện của hệ điều khiển vị trí dùng động cơ không đồng bộ, điều khiển các chế độ làm việc thì dải điều chỉnh tốc độ hẹp, độ êm dịu thấp, gây tổn thất năng lượng đáng kể, hiệu suất thấp đối với những hệ yêu cầu công suất cao.Giải pháp thay thế hệ truyền động điện hiện nay bằng hệ truyền động điện T-Đ sẽ khắc phục được các nhược điểm trên.Khi khảo sát tính toán cho thấy chất l ượng hệ thống tốt hơn hẳn hệ có sẵn. Đồng thời hệ T- Đ mang lại nhiều ưu điểm. Chất lượng đặc tính khởi động và hãm tốt, hiệu suất cao, việc điều chỉnh và thay đổi tốc độ dễ ràng, tạo ra chế độ tự động điều chỉnh thích hợp với tải. Ở hệ thống này ta đưa thêm mạch vòng vị trí làm cho độ chính xác của hệ cao hơn. + Luận văn đã nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện sử dụng động cơ một chiều nhờ luật điều khiển mờ với đối tượng ứng dụng cụ thể là hệ thống truyền động cho cần cẩu tháp. + Kết quả ban đầu thu được là hệ truyền động cần cẩu tháp đã được nâng lên, điều đó được thể hiện ở các đường đặc tính thể hiện các giá trị dòng điện, tốc độ, vị trí khi dùng luật điều khiển mờ và khi dùng luật điều khiển kinh điển PID. + Với kết quả ban đầu thu được luận văn được sử dụng làm tài liệu trong công tác giảng dạy của bản thân tôi và tôi mong muốn nếu nh ư có điều kiện hơn nữa về thời gian và kiến thức, kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ được ứng dụng trong hệ truyền động thực tế và đem lại hiệu quả cao. 2.Kiến nghị - Để giảm thiểu năng lượng điện tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng cần cải tạo hệ TĐĐ động cơ rotor dây quấn của thiết bị nâng hiện nay bằng giải pháp sử dụng hệ T-Đ kết hợp với bộ điều khiển mờ, mờ trượt, mờ thích nghi, nơron… - Với mục tiêu hiện đại hoá hệ thống thiết bị nâng, hệ thống cần cẩu tháp, hệ thống thang máy, các máy gia công CNC…khi xây dựng mới cần trang bị hệ truyền động điện T-Đ có kết nối với máy tính. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 86 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- TS.Trần Thọ, PGS.TS.Võ Quang Lạp (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 2- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 3- Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa, Hà Nội. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 87 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4- Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội. 5- Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 6- Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng, Đại học Bách khoa, Hà nội. 7- Bùi Quốc Khánh (2004), Điều khiển mờ lai PI cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi, 8- Nguyễn Trọng Thuần (2002), Điều khiển Logic và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC MỤC TÊN ĐỂ MỤC TRANG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT CHIỀU 1 I.1. Khái niệm 1 I.2. Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động 1 I.3. Một số phương pháp đánh giá độ ổn định và chất lượng của hệ thống 2 I.3.1. Các thông số đánh giá độ ổn định 2 I.3.2. Các chỉ tiêu chất lượng 3 I.4. Mô hình toán học của động cơ một chiều 4 I.4.1. Mô hình toán học ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập 5 I.4.2. Mô hình toán học ở chế độ quá độ động cơ một chiều kích từ độc lập 5 I.5. Mô hình toán học của bộ biến đổi 8 I.6. Hàm truyền của bộ biến đổi 10 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 11 II.1. Giới thiệu bộ điều khiển kinh điển PID 11 II.1.1. Các luật điều khiển 11 a.Luật điều khiển tỉ lệ (P) b.Luật điều khiển tích phân (I) c.Luật điều khiển vi phân (D) d.Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) 12 e. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD) f. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân – tích phân (PID) 13 II.1.2. Các bộ điều khiển 13 a.Bộ điều khiển tỉ lệ (P) Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b. Bộ điều khiển tích phân - tỉ lệ (PI) 15 c. Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) 16 II.1.3. Chọn bộ điều khiển và đặt thông số cho bộ điều khiển 18 II.2. Bộ điều khiển mờ 21 II.2.1 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 21 a. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ b. Phân loại bộ điều khiển mờ 22 II.2.2. Các bước tổng hợp một bộ điều khiển mờ 22 II.3. Nguyên lý điều khiển mờ 24 II.4. Các bộ điều khiển mờ 27 II.4.1. Phương pháp tổng hợp kinh điển 27 II.4.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 28 II.4.3. Bộ điều khiển mờ động 29 II.4.3.1 Bộ điều khiển theo luật I 29 II.4.3.2. Bộ điều khiển theo luật PD 29 II.4.3.3. Bộ điều khiển theo luật PI 30 II.4.3.4. Bộ điều khiển theo luật PID 30 II.5. Bộ điều khiển mờ lai 32 CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ HỆ TUỲ ĐỘNG 35 III.1. Ứng dụng của hệ tuỳ động vị trí 35 III.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí 35 III.2.1. Cấu tạo 35 III.2.2. Nguyên lý làm việc 37 III.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc 37 III.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí 38 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên III.4.1. Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mô phỏng 38 III.4.2 Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu số 39 III.4.2.1. Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu pha số 39 III.4.2.2 Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số 40 III.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số 41 III.5. Tổng quan về cần cẩu tháp 42 III.5.1. Công dụng của cần cẩu tháp 42 III.5.2. Phân loại cần cẩu tháp 42 a. Phân loại theo chức năng di chuyển b. Phân loại theo cách bốc dỡ hàng 43 c. Phân loại theo sức nâng của cần cẩu d. Phân loại theo cơ cấu truyền lực III.5.3. Đặc điểm và chế độ làm việc của cần cẩu tháp 43 III.5.4. Các chuyển động cơ bản của cần cẩu tháp 44 a. Chuyển động của cơ cấu nâng hạ b. Chuyển động của xe con trên cần c. Chuyển động quay của cần d. Quá trình làm việc của cần cẩu tháp trong một chu kỳ bốc dỡ hàng III.5.5. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ cần cẩu tháp 46 a.Trường hợp khi cho trước phụ tải tĩnh G, lực cản FC, chuyển động tịnh tiến với vận tốc v 47 b.Trường hợp khi biết tang trống quay có mômen MT, vận tốc góc ωT, hộp tốc độ có hiệu suất η, tỉ số truyền i, động cơ có tốc độ ωĐ 48 III.5.6. Các yêu cầu trang bị điện cho truyền động nâng hạ của cần cẩu tháp 48 CHƯƠNG IV TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 49 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên IV.1. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 50 IV.1.1. Hàm truyền của động cơ điện 50 IV.1.2. Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 56 IV.1.3. Hàm truyền của máy phát tốc 58 IV.1.4. Hàm truyền của thiết bị đo điện 58 IV.1.5. Tổng hợp hệ điều khiển Ri, Rω, Rφ 58 a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng địên Ri b. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rω 60 c. Tổng hợp mạch vòng vị trí 62 IV.2. Mô phỏng hệ thống truyền động cần cẩu tháp với bộ điều khiển kinh điển PID 67 IV.2.1. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí đối với động cơ một chiều kích từ độc lập 67 IV.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng MATLAB SIMULINK 69 IV.3. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ 74 IV.3.1. Mờ hoá 74 IV.3.2. Luật điều khiển và hợp thành 76 IV.3.3. Giải mờ 77 IV.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí khi có bộ điều khiển mờ 77 Kết luận và kiến nghị 83 1. Kết luận 84 2. Kiến nghị 85 Tài liệu tham khảo 86 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ HÌNH TÊN HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 1-1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện 1 1-2 Hệ thống truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 4 1-3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập 6 1-4 Sơ đồ cấu trúc khi tuyến tính hoá 7 1 -5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 8 1-6 Mạch động lực bộ biến đổi 8 1-7 Sơ đồ tổng quát của bộ biến đổi 10 2-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P 14 2-2 Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI 15 2-3 Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID 17 2-4 Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 17 2-5 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 21 2-6 Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ 22 2-7 Hình vẽ minh hoạ ví dụ 24 2-8 Bộ điều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện đầu vào và khâu I trong giao diện đầu ra 26 2-9 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 27 2-10 Hệ điều khiển mờ theo luật I 29 2-11 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 30 2-12 Hệ điều khiển mờ PID 31 3-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động vị trí kiểu chiết áp 36 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3-2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng 38 3-3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số 39 3-4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển xung số 40 3-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số 41 3-6 Biểu đồ phụ tải các cơ cấu chuyển động chính cần cẩu tháp 45 3- 7 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng han cần cẩu tháp 47 4-1 Hệ truyền động Thyristor – Động cơ 49 4-2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 50 4-3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 52 4-4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 53 4-5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 54 4-6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 54 4-7 Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 55 a.Theo tốc độ b.Theo dòng điện 4-8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 56 4-9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 57 a. Khi chuẩn xác b. Khi gần đúng 4-10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 59 4-11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 59 4-12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 60 4-13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 62 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4-14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 64 4-15 Quan hệ giữa Δφ và ω 66 4-16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 70 4-17 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào φđặt = 10V, I = 51A 71 4-18 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào φđặt = 15V, I = 51A 72 4-19 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào φđặt = 10V 73 4-20 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ động hệ điều khiển vị trí 74 4-21 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào:vị trí đặt 75 4-22 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: hệ số khuếch đại 75 4-23 Các luật điều khiển mờ 76 4-24 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ 77 4-25 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 77 4-26 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 78 4-27 Kết quả mô phỏng với φđặt = 10 V, I =51 A 79 4-28 Kết quả mô phỏng với φđặt = 15 V, I =51 A 80 4-29 Kết quả mô phỏng với φđặt = 10 V 81 4-30 Kết quả mô phỏng với φđặt = 15 V 82 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Më §ÇU Ngày nay, tự động hóa đang được các nhà máy quan tâm đặc biệt và được ứng dụng trong nhiều máy công cụ, trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đã đem lại những hiệu quả nhất định. Để sản xuất được nhiều sản phẩm, thì việc nâng cao chất lượng và tăng khả năng tự động hóa ngày càng được lưu tâm của các doanh nghiệp, trong đó nếu hệ truyền động điện được nâng cao chất lượng cùng với công nghệ sản xuất mới sẽ tạo được nhiều sản phẩm có chất lượng. Hệ truyền động điện được nâng cao chất lượng sẽ làm giảm tiêu hao điện năng và giảm giá thành sản phẩm, ngoài ra còn góp phần làm gọn nhẹ và giảm sức lao động.Do đó một yêu cầu cấp thiết được đặt ra là làm thế nào để nâng cao được chất lượng của hệ thống.Với mục tiêu trên luận văn này sẽ đi nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển kinh điển PID để nâng cao chất lượng của hệ thống sử dụng cho hệ tùy động. Bản luận văn có cấu trúc gồm các phần như sau: Chương I: Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều Chương II: Giới thiệu các bộ điều khiển. Chương III: Tổng quan về hệ tùy động Chương IV: Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Thanh Hà – người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầ y cô giáo ở Khoa điện – Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp Thái Nguyên, Khoa Sau Đại Học đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành khóa học. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của thầy cô, ý kiến đóng góp của bạn bè, đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 02 năm 2009 Học viên Trần Thị Nam Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Trần Thị Nam